Стартовый стол для ракеты своими руками

Обновлено: 18.05.2024

Моделирование ракет стало очень популярным увлечением. Сейчас проводятся даже чемпионаты, на которых выступают спортсмены, сделавшие образцы ракет собственными руками. Сделать ракету можно из различных материалов: от бумаги до современных пластмасс и металлов.

Независимо от классификации и материала каждая ракета состоит:

  • Из корпуса, к которому, собственно, и прикрепляются вспомогательные части, а внутри он оборудуется двигателем.
  • Из стабилизаторов, которые прикреплены внизу корпуса, и служат для устойчивого состояния изделия в полете.
  • Из головного обтекателя, изготовленного в форме конуса, для придания ракете аэродинамики.
  • Из направляющих колец, прикрепленных на одном уровне и служащих для крепления аппарата к пусковой установке.
  • Из спасательной системы, которая замедляет свободное приземление ракеты. Она изготавливается или как лента для тормоза, или как парашют.
  • И конечно из двигателя, без которого не может существовать ни одна модель ракеты. Ведь именно он приводит аппарат в движение. Моторы подразделяются на подклассы в зависимости от тяги. Движок для ракеты можно купить или изготовить самому.

Пусковую установку тоже нужно отнести к самым значимым вещам модели, хотя она является отдельным узлом. Она должна состоять из основы, на которую закрепляется сама модель, и механизма для пуска.

Аппараты для участия в соревнованиях подразделяются на девять классов. Разберем два основных класса.

Класс S 2/Р – для любителей/не профессионалов, которые готовы поучаствовать в соревнованиях. Модели класса S 2/Р бывают разные по материалам: бумажные, пластиковые, металлические и другие. Самое главное, материал не должен взорваться и загореться во время эксплуатации.

Одной из самых легких и доступных моделей, которые могут участвовать в соревнованиях, является ракета класса S 1, которая должна показать лучшую высоту взлета. Данная категория подразделяется на группы, обозначенные буквами алфавита. Чем слабее тяга, предназначенная для запуска модели, тем ближе буква к началу алфавита.

Модели класса S 2 используются для подъема и переноса небольшого груза, диаметром превышающим 5 сантиметров и массой до 65 грамм. Например, обычное куриное яйцо. Модель ракеты может иметь спасательную систему, с помощью которой модель и груз должны вернуться на поверхность целыми и неповрежденными.

Данная модель должна быть обязательно одноступенчатой, и в полете не должна потерять даже одной, малозначительной детали.

Если рассматривать процесс соревнований, то их участники, должны осуществить поднятие модели на высоту 300 метров, и вернуть ее на землю в течение одной минуты. Самое важное рассчитать баланс, ведь если груз или ракета окажутся поврежденными, то результат запуска засчитан не будет. Масса ракеты вместе с двигателем не должна превышать 1,5 килограмма, а компоненты горючего - 200 грамм.

Конструирование стартового стола для моделей ракет Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Савченко А.М., Орлин П.А., Тихоненко Е.С.

Представлено обоснование необходимости исследования стартового участка траектории полета моделей ракет . Предлагается устройство для управления некоторыми параметрами на стартовом участке траектории полета.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Савченко А.М., Орлин П.А., Тихоненко Е.С.

Способы защиты конструкции стартового стола от высокотемпературного воздействия газов двигателей моделей ракет

CONSTRUCTION OF THE LAUNCH PAD FOR MODEL ROCKETS

The report presents the rationale for the research the starting part of the trajectory of flight of model rockets . It is proposed the device for controlling some parameters at the launch site of the flight path.

Текст научной работы на тему «Конструирование стартового стола для моделей ракет»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

КОНСТРУИРОВАНИЕ СТАРТОВОГО СТОЛА ДЛЯ МОДЕЛЕЙ РАКЕТ

А. М. Савченко, П. А. Орлин, Е. С. Тихоненко Научный руководитель - В. В. Кольга

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Представлено обоснование необходимости исследования стартового участка траектории полета моделей ракет. Предлагается устройство для управления некоторыми параметрами на стартовом участке траектории полета.

Ключевые слова: модели ракет, стартовый стол, направляющие.

CONSTRUCTION OF THE LAUNCH PAD FOR MODEL ROCKETS

A. M. Savchenko, P. A. Orlin, E. S. Tikhonenko Scientific Supervisor - V. V. Kolga

The report presents the rationale for the research the starting part of the trajectory of flight of model rockets. It is proposed the device for Controlling some parameters at the launch site of the flight path.

Keywords: model rockets, launchingpad, slideways.

Стартовый отрезок активного участка траектории полета ракеты (АУТ) должен обеспечивать устойчивое вертикальное движение ракеты для достижения требуемой высоты. В модельном ракетомоделировании вертикальный участок АУТ является наиболее важным участком траектории для обеспечения зрелищности показательных пусков. Для эффективного осуществления запусков моделей ракет используют стартовый стол. Он обеспечивает устойчивое положение ракеты, пока модельный ракетный двигатель набирает тягу и задает начальное направление полета ракеты.

Применения стартового стола необходимо, так как одной из важных частей полета является участок разгона ракеты, когда стартовая скорость мала и стабилизирующая сила имеет незначительное влияние на характер полета. Любые возмущения на старте могут внести серьезные погрешности в траекторию полета модели ракеты.

В большинстве случаев стартовый стол [1] представляет собой основание, которое жестко устанавливается на поверхность, и направляющую, которая корректирует положение ракеты на взлете и задает направление будущей траектории полета. Чтобы ракета не сходила с направляющей, обычно используют направляющее кольцо [2]. Ввиду того, что кольцо крепится к ракете с внешней стороны цилиндрического корпуса (а в случае больших размеров ракеты может быть 2 и более кольца), кольцо нарушает геометрию всей модели ракеты и влияет на аэродинамические характеристики полета, таких как: лобовое сопротивление, положение центра масс и центра давления, что, в свою очередь, может изменить траекторию полета ракеты и существенно увеличить угол отклонения от заданной расчетной прямой. Также при монтаже направляющего кольца к ракете, возможен его перекос, что может вызвать зажим ракеты на направляющей.

Секция «Проектирование и производство летательньк аппаратов»

Рис. 1. Трехмерная модель стартового стола Рис. 2. Сборочный чертеж

Предлагаемая модель стартового стола (рис. 1, 2) позволяет уйти от системы кольцо-направляющая и представляет собой набор направляющих (в данном случае 4 штуки), которые обжимают модель ракеты с дуговым шагом в 90 градусов. При такой конструкции есть возможность выставить направляющие под любой диаметр ракеты (но не более максимального диаметра, которое может позволить данная модель стола - 300 мм). Такая форма кареток позволяет получить минимально возможный диаметр ракеты (20 мм) а так же обеспечить устойчивость направляющих, что приводит к минимальным отклонениям от осевой линии ракеты. Материал для кареток и нижней части модели стола - дерево. Заготовки легко поддаются обработке и подгону по размерам. Верхняя часть модели стола выполнена из стали, для обеспечения жесткости конструкции и минимальным расхождениям кареток по углам наклона под весом направляющих, а также защищает нижнюю часть модельного стола от прогара струей выходящих газов из сопла модельного ракетного двигателя. Для направляющих выбран алюминий, обеспечивающий меньшее трение о корпус модели ракеты и сравнительно меньшей массы, что особенно важно при большой длине самих направляющих (2 000 мм).

Таким образом, обеспечивается устойчивость ракеты до набора ей скорости, нужной для появления стабилизирующей силы, а трение о направляющие дает время модельному ракетному двигателю набрать тягу.

Испытания показывают, что необходимый обжим ракеты достигается довольно легко ручной корректировкой. Разборная конструкция модельного стола облегчает транспортировку данного стола к полигону запуска, и минимальное время для сборки и корректировки направляющих под определенный размер модели ракеты. Массивная столешница обеспечивает устойчивость ракеты при запуске и гасит вибрации от работы двигателя, что позволяет обеспечить строгое направление взлета ракеты.

В перспективе разрабатывается система одновременного привода кареток, позволяющая регулировать динамоключом силу обжима модели ракеты, что позволит при данной тяге двигателя подобрать оптимальную силу трения для вывода двигателя в номинальный режим работы. Так же разрабатывается система ориентации плоскости рабочего стола, основанная на шарнире Гука, для обеспечения выравнивая направляющих независимо от поверхности, на которую устанавливается основание стола.

1. Эльштейн П. Конструктору моделей ракет. М., 1978. С. 157-167.

2. Думенек В. Л. Модели ракет. Озерск, 2015. С. 5-7.

3. Проектирование и конструирование баллистических ракет и ракет носителей : учеб. пособие / Н. А. Тестоедов, В. В. Кольга, Л. А. Семенова / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. 308 с.

Любительское ракетостроение, как я делаю ракеты и мои ошибки на которых я учусь (part 1)

Корпус каждый для своей ракеты выбирает свой и для каждого в приоритете свои факторы выбора материала. Я выбираю корпуса с учётом на наименьший вес и наибольшую прочность. Вес нужно уменьшать для более стабильного и высокого полёта, а прочность нужна что-бы корпус в полёте не расплавился и не разлетелся от давления.

Сначала я выбирал ПВХ трубки для корпусов ракет. Они достаточно прочны, но весят не то что-бы сильно много, но вес нужно сводить к минимуму. Именно из-за веса я потерпел фиаско в пробных запусках, но об этом позже.

image

После я искал другие материалы или новую технику изготовления корпуса и нашёл технику склеивания бумаги в тубус. После суток клей застывает и корпус становиться прочным как ПВХ труба и в теории легче. Пока-что я эту технику не проверял, но в теории всё звучит достаточно заманчиво.

image

Виды топлива и двигателей

Топливо

Чаще всего в любительском ракетостроении используются твердотопливные двигатели. Так как для жидкого топлива нужны системы трубопроводов, отдельная камера сгорания, для твёрдого топлива сам двигатель является камерой сгорания и больше ничего от двигателя не требуется.
Есть много твёрдого ракетного топлива, но для любительского ракетостроения подходит больше всего карамельное топливо. Оно достаточно лёгкое в изготовлении и не такое уж и милое как его название. Это топливо достаточно мощное и при правильном его изготовлении выдаёт внушительную тягу.

Состав этого топлива следующий: 70% калиевой селитры, 25% сахарной пудры и 5% древесного угля. Это топливо сильно воспламеняется при малых температурах. Будьте максимально аккуратны.



Двигатели

Давайте сначала разъясним каких размеров сам двигатель и куда он ставится. Двигатель не должен быть размером во весь корпус. Лично я выбираю вариант размера двигателя разделяя высоту основного корпуса на 1.5. В корпусе должно оставаться ещё место для электроники, парашюта, и разных датчиков температур и высоты. Это свободное место называется «Отсек полезной нагрузки». Сам корпус для двигателя выбирается по тому-же принципу как и основной корпус, нужна наименьшая масса и наибольшая прочность.



Пробные запуски и возможная причина неудач

Вот видео первого пробного запуска двигателя от моей ракеты Starship-1

В видео видно что в начале двигателю не хватает тяги и он поднимается только когда заканчивается топливо. Скорее всего проблема недостатка тяги возникла из-за маленького отверстия под сопло. В результате была маленькая струя подачи тяги и двигатель поднялся в воздух только когда заканчивалось топливо. Но проблема скорее всего не только в подаче тяги, но и в массе двигателя. Эта тяга не могла поднять ПВХ трубу ещё и топливо в нагрузку.

Per aspera ad astra, или как я строил ракету. Часть 1. Делаем движки и запускаем ракеты


Эту знаменитую фразу К.Э.Циолковского не забывают и по сей день. NASA, ESA, Роскосмос, SpaceX и множество других космических компаний отправляют автоматические миссии на другие планеты, запускают людей в космос и стремятся воплотить в жизнь слова Константина Эдуардовича.

Но что делать, если разработка новой ракеты занимает долгое время, а запустить ее хочется здесь и сейчас? Тогда стоит заняться ракетомоделированием и самим построить и запустить ракету мечты. А о своем опыте проектирования ракет я с удовольствием вам расскажу в этой статье.

Вступление

Всем привет! В этой серии статей я хотел бы поделиться с вами моим опытом разработки и запусков моделей ракет, рассказать о своих первых неудачах и головокружительных успехах, о том как надо делать и как не надо. Я не буду вдаваться в подробности того, как построить ракету, потому что в интернете есть много гайдов по этой теме, а сделаю упор именно на личный опыт, дабы уберечь вас от моих ошибок и показать несколько моих интересных находок и решений.


Космосом я увлекся после того как побывал на программе Большие Вызовы 2017 ОЦ Сириус на направлении “Космические технологии и робототехника”. На ней наша команда разработала первый российский школьный спутник SiriusSat, который в 2018 году вместе со своим братом-близнецом был запущен с МКС во время выхода в открытый космос. Полезная нагрузка спутника — детекторы заряженных частиц и гамма-излучения. Конкретно моей задачей на программе было проведение испытаний спутника. Так как в лаборатории космических систем были установлены вибростенд и термобарокамера, то мы решили “протрясти” и “запечь” наш аппарат. Все испытания прошли успешно, наша команда защитила проект, и все довольные разъехались по своим городам.



SiriusSat-1 и SiriusSat-2. Ручка нужна для того, чтобы космонавт держал спутник

В общем на этой смене я и заразился тематикой космоса. Потом в 10 классе мне пришла в голову идея собрать свою ракету с какой-нибудь электроникой.

Первые попытки собрать движок

Сердцем любой ракеты является ее двигатель, поэтому сперва нужно было собрать его. Среди ракетомоделистов очень популярно карамельное топливо, из-за того, что оно легко в изготовлении и его компоненты (сахарная пудра и калиевая селитра) можно найти в любом городе.

“Карамелька” относится к классу твердотопливных ракетных двигателей, для которых не нужна система трубопровода и насосы. Грубо говоря это тот же фейерверк, только с стабилизированным и управляемым полетом, ну и в конце полета в идеале ничего не взрывается, а медленно спускается на парашюте. Основной частью двигателя является бак с топливом, который одновременно выступает и камерой сгорания. Топливо, сгорая в баке, выпускает реактивную струю высокой скорости в одну сторону и, благодаря закону сохранения импульса, толкает ракету в противоположную. Вообще теорию реактивного движения впервые описали К.Э.Циолковский, Р.Годдард и Г.Оберт в 20 веке, но, как бы то ни было парадоксально, первыми применили ее на практике китайцы в 200-х годах до н.э., открыв порох и изобретя фейерверк. В современных твердотопливных двигателях используются более совершенные топлива, например в боковом ускорителе Спейс Шаттла использовалась смесь перхлорат аммония, алюминия и оксида железа.



Схема простейшего ТТРД . Как видно, камеры сгорания как таковой нет, топливо сгорает в баке и выпускает струю газа через сопло

Калиевую селитру купил в ближайшем магазине удобрений, а сахарную пудру в продуктовом магазине. На тот момент надпись N — 13,6% и K2O — 46% меня не смутила, но из-за нее потом было очень много проблем, о которых я расскажу чуть позже.


Для изготовления корпуса мне понадобилась пластиковая водопроводная труба длиной 100мм и диаметром 10 мм, бентонит (наполнитель для кошачьего туалета), чтобы сделать заглушки и для утрамбовки самого топлива нужно было найти любую палку, свободно входящую в двигатель. Селитру, бентонит и сахарную пудру я на всякий случай по отдельности перемолол в ступе. Затем смешал калиевую селитру и пудру в соотношении 70% к 30%. Теперь необходимо было забить все компоненты в трубу следующим образом:

  1. Засыпаем в трубу ложку перемолотого бентонита
  2. Забиваем бентонитовую заглушку примерно на 10мм, при необходимости досыпаем бентонит. Важно плотно его утрамбовать, чтобы он не крошился и не высыпался из трубы
  3. Утрамбовываем топливо примерно на 80мм. Его также нужно утрамбовывать плотно, по максимуму заполняя отведенное ему пространство в трубе. Чем больше топлива, тем больше тяга
  4. Забиваем последнюю бентонитовую заглушку до конца трубы, аналогичным образом, как и первую
  5. Высверливаем по центру на малой скорости в любой из заглушек отверстие глубиной примерно 50-70 мм. Так мы делаем своеобразное сопло


Серые части — бентонитовые заглушки, по центру — топливо

Для поджигания двигателя я сделал бикфордов шнур. Джутовую веревку отварил в растворе карамельного топлива, концентрацию взяв на глаз, примерно 2-3 чайных ложки на стакан воды. После варки необходимо дать шнуру высохнуть, и если пропорции раствора топлива были правильными, то на веревке будет белый налет карамельки. Двигатель и шнур для его поджига были готовы, а это значит, что предстояло провести его прожиг.

К сожалению фотографий первого двигателя и видео его испытаний у меня нет, но по итогу он не взлетел, но знатно дымился на стартовом столе.

Выводы:

  • Температура горения была высокой, из-за чего начала плавиться пластиковая труба, и было решено, что корпуса следующих движков нужно делать из металла
  • Сопло постоянно забивалось остатками продуктов горения, из-за чего могло повыситься давление в двигателе и ракета просто взорвалась бы, а rapid unscheduled disassembly никому не нужна. На тот момент я подумал, что это из-за неправильной пропорции селитры и из-за того, что сахарная пудра была не чистой, поэтому в следующих движках решил поэкспериментировать с пропорциями и заменить сахарную пудру на чистый сахар

It's alive!

Покопавшись в интернете, я примерно понял в чем была проблема первого движка. Из-за трамбовки топливо распределялось неравномерно, в нем образовывались полости, и оно было неоднородно из-за чего процесс горения был очень вялым и вместо ракеты получилась хорошая дымовая шашка. Решение проблемы было простое — забить в трубу сваренное карамельное топливо. В качестве корпуса взял металлическую штангу для ванной и решил поэкспериментировать с пропорциями топлива и с добавкой оксида железа 3 (то есть обычной ржавчины), потому что он должен был увеличить скорость горения.



Примеры чистого карамельного топлива и с добавлением ржавчины. Источник

Движки я сделал поменьше, так как не видел смысла в изготовлении полноразмерного варианта, так же, как и не видел смысла в заглушках и сопле, на скорость горения топлива повлиять они не должны были, потому что все испытуемые были в равных условиях окружающей среды.

Прежде чем варить топливо, поговорим о технике безопасности, ведь карамелька легко воспламеняется и горит очень резво. Варить топливо нужно только на электрической плите, на газовой плите или любом другом источнике открытого огня готовить топливо нельзя. Кстати, в недавнем взрыве склада пиротехники в Бейруте по официальным данным воспламенилась именно селитра, так что будьте крайне осторожны при варке.

Топливо варил на электрической плите в блиннице до цвета и консистенции сгущенки. Блинница тем хороша, что в ней все ингредиенты равномерно нагреваются и не пригорают.

В итоге у меня получилось несколько подопытных:

  • Движки с перемолотым в ступке и сваренным карамельным топливом
  • Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом
  • Движки с измельченным в кофемолке и сваренным карамельным топливом с добавлением 1% оксида железа 3


  • В этот раз все движки загорелись и горели они очень хорошо, что конечно же порадовало
  • Ржавчина увеличивает скорость горения. Для сравнения двигатель 55/45 горел примерно 35 сек, а 54/45/1 уже 26 сек;
  • Измельчение в кофемолке существенно не прибавило скорости горения
  • Даже с заменой сахара в двигателях оставалось много не сгоревшего вещества (черное и белое вещество в “бочонках” на последней фотографии), состав которого был не известен

Что в итоге?

А в итоге у нас плохо работающие движки. Основная их проблема — неполное сгорание топливной смеси (о последствиях этого я писал выше). Также подкачала и скорость горения. И вот тут-то всплывает злополучная надпись N — 13,6% и K2O — 46% на упаковке селитры, потому что, скорее всего калиевая селитра для удобрений нечистая, и оставшиеся 40,4% это какие-нибудь примеси, которые и стали причиной плохой работы двигателей.

Если вы смотрели недавнюю серию роликов Амперки Ракета против Лехи, то вы заметили, что они использовали химически чистую калиевую селитру. Благодаря ей у них прогорело все топливо, да и скорость горения была выше (2,85 мм/сек против моих 1-1,25 мм/сек). Ну и еще одним минусом самодельных движков является то, что неизвестна их тяга, а я в будущем хотел бы рассчитывать параметры полета ракеты.

По итогу могу сделать вывод, что на калиевой селитре для удобрений движок не построишь. В общем, на такой грустной ноте я закончил разработку своих движков, и стал искать тех, кто делает и продает готовые движки.

Строим ракету

Двигатели я купил на сайте Real Rockets. Так как вместе с этими двигателями поставляется и электрический воспламенитель, то нужно было собрать пульт для запуска, ну и саму ракету конечно же. В том же магазине приобрел картонные трубы для корпуса.


На просторах интернета нашел схему для пульта и немного переделал ее, чтобы от прозвонки случайно не зажегся движок, и в итоге схема получилась такой:

Корпус сделал из ПВХ листов, внутри разместил спаянную схему, провода к воспламенителю (на схеме R2) вывел на зажимы. К проводу зажигания припаял крокодильчики, которые и подключались к воспламенителю.



Внутренности пульта для запуска



Собранный пульт вместе с проводом зажигания

Ну и как любую космическую систему, пульт необходимо было испытать, да и неплохо было бы посмотреть как вообще работают готовые движки.

Чтобы ракета летела вертикально вверх я решил спроектировать ее в программе Open Rocket, а затем напечатать на 3D принтере все детали. С помощью функции оптимизации ракеты я подобрал форму и размеры обтекателя и стабилизаторов исходя из размеров картонной трубы, обтекателя (в него я хотел установить альтиметр, о котором расскажу в следующей части), массы и тяги двигателя и его крепления. Но сперва необходимо было добавить используемый движок.



Чертеж ракеты в Open Rocket

В базе данных Open Rocket есть только американские двигатели, но если вы хотите использовать двигатели других производителей, то можно добавить их в программу. Сделать это довольно просто, я бы даже сказал увлекательно:


  1. Находим кривую тяги двигателя, в моем примере мы будем добавлять двигатель РД1-20-5 от Real Rockets
    "
    Кривая тяги двигателя РД1-20-5
  2. Скачиваем программу ThrustCurve Tracer для рисования новой кривой тяги
  3. Открываем программу и жмем кнопку Open Image в левом верхнем углу и выбираем фотографию кривой тяги нашего двигателя
  4. Жмем кнопку Setup Grid и настраиваем оси следующим образом
    • В X axis вписываем начальное и конечное значение времени, в моем случае 0 — 1.2 с
    • В X sub-subdivisions вписываем число вертикальных линий между нулем и конечным временем, в моем случае 2
    • В Y axis аналогично X axis только вписываем значения тяги, в моем случае 0 — 30 Н
    • В Y axis sub-subdivisions аналогично X axis sub-subdivisions только вписываем количество горизонтальных линий, в моем случае 2

  5. Выравниваем наложенную сетку с сеткой фотографии
  6. Жмем кнопку Draw points и начинаем ставить точки на кривой. Вы увидите, что их будет соединять красная линия, которая и должна совпадать с кривой. Вы можете ставить точки в произвольном порядке, главное чтобы последняя точка была на нулевом значении тяги (просто на этом времени тыкните мышкой куда-нибудь за нижнюю границу сетки)
  7. Если вы правильно расставили точки, то снизу увидите галочку


Найти подходящую форму обтекателя и стабилизаторов можно с помощью функции оптимизации ракеты (Анализ -> Оптимизация ракеты). Для этого их нужно сначала добавить к нашей ракете и указать их материал, чтобы программа учитывала и их массу.

Добавить свой материал тоже просто. Для этого в разделе материалы (Правка -> Настройки -> Материалы) нажимаем Новый и добавляем данные о материале. Если вы так же, как и я печатаете детали на 3D принтере, то плотность при данном заполнении пластиком можно узнать, вспомнив школьные лабораторные работы по физике: в мерный стакан наливаем воды, опускаем деталь и по разности объемов находим объем детали, на весах измеряем массу детали, делим второе на первое и получаем плотность.

В параметрах самих стабилизаторов и обтекателя выбираем наш материал и начинаем их оптимизировать. Конечно, иногда программа выдает страшные формы деталей, поэтому нужно ограничивать максимальные и минимальные значения, которые вы оптимизируете.

Также не стоит забывать о стабильности, потому что от нее зависит, завалится ли на бок ваша ракета во время полета или полетит строго вверх. Если не вдаваться в физические формулы, то стабильность — это расстояние в диаметрах корпуса (калибрах) от центра давления до центра тяжести. Open Rocket умная программа и за нас рассчитывает их положение, поэтому нам остается только следить за значением стабильности. В идеале стабильность вашей ракеты должна быть 2-3 калибра, поэтому в оптимизации ракеты не забываем поставить ограничения и на эту характеристику.

Незаметные сложности ракетной техники: Часть 5. Стартовые сооружения

Введение

Для того, чтобы было понятно, о чем идет речь, необходимо объяснить используемые термины и рассказать в общем, как происходит пуск ракеты-носителя.
Прежде всего, ракету-носитель и полезную нагрузку доставляют на космодром. Ракета-носитель практически всегда доставляется в разобранном виде, потому что так её проще перевозить. Затем ракету и полезную нагрузку собирают в одно целое и проверяют в специальном здании, которое для разных ракет в разных странах имеет множество различных названий: МИК (монтажно-испытательный комплекс), техническая позиция, технический комплекс, VAB (Vertical Assembly Building, здание вертикальной сборки), assembly building (здание сборки) и т.п. Затем ракета-носитель, обычно в сборе вместе с полезной нагрузкой, транспортируется на специальную площадку, с которой происходит пуск. Эта площадка имеет также множество названий — стартовый комплекс, стартовый стол, стартовое сооружение и т.п. Ракета, поставленная вертикально, весьма высокая штука, поэтому обычно есть т.н. башня обслуживания, которая позволяет добраться до нужных мест на уже установленной ракете.

Когда ракеты были маленькими


Чем меньше ракета, тем проще стартовый комплекс и меньше трудностей с ним. На заре ракетостроения весь стартовый комплекс состоял из ровной бетонной площадки, опоры для ракеты на небольших ножках и простенькой башни обслуживания:

Фау-2 и приставные лестницы.



Более продвинутый вариант башни обслуживания. Конус внизу установлен для равномерного выброса газов в стороны.


Даже на пилотируемых пусках со стартовыми комплексами небольших ракет не было особых сложностей:

1961 год, первая пилотируемая миссия программы «Меркурий» — «Mercury-Redstone 3». Башня движется на рельсах, технология аналогична строительному крану. Под стартовой опорой виден такой же конус для равномерного рассеивания газов.


В принципе, для небольших ракет такой подход жив и сегодня. Небольшая стартовая масса означает сравнительно небольшую мощность двигателя и отсутствие проблем с отведением газов, сравнительно короткое воздействие высокой температуры, что снижает требования к материалам.

РН «Космос-3М», совсем недавно снята с эксплуатации. Слева видна башня обслуживания, справа — простой стартовый стол.


На Западе примерно то же самое — небольшую ракету можно поставить на старт промышленным автокраном:

Слева Taurus, справа Minotaur V.


И пускать с более высокого, но всё равно простого стартового сооружения:

Слева Taurus, справа Minotaur V.

Как расцветал тюльпан


Наверное, самый необычный стартовый комплекс — у семейства ракет «Р-7». Во-первых, это единственный комплекс, в котором ракета не стоит на столе, а подвешена за середину. Во-вторых, в ранних версиях стартовый стол поворачивается целиком перед запуском. Ну и в-третьих, вместо башни обслуживания сделаны две «полубашни», которые, к тому же, отходят от ракеты поворотом в вертикальной плоскости. Почему были приняты такие решения?
Решение по первому пункту очень хорошо описано у Б.Е. Чертока. У ракет семейства Р-7 первая и вторая ступени собраны в пакет. И этот пакет очень плохо устанавливался на стартовый стол — требовалось серьезное усиление хвостового отсека, а это лишний вес, и возрастало ветровое сопротивление. Даже были идеи построить стену вокруг старта. Эскиз транспортного устройства, которое вывозило ракету и ставило на четыре стартовых стола, по одному для каждого бокового блока, тоже никого не воодушевлял. И тут возникла очень красивая инженерная идея. В полёте усилия боковых блоков передаются на центральный блок через их верхние части. Так почему бы не подвесить ракету на старте за эти же самые силовые узлы? В этом случае ракета на старте испытывает те же нагрузки, что и в полёте, и не надо специальных мер по усилению конструкции. А погружение ракеты внутрь стартового сооружения решает проблемы с ветровой нагрузкой.

Схема стартового стола. В самом низу есть ещё выдвижной стол для доступа персонала, здесь не показан.


Пункт два исходил из задачи облегчения работы системе управления. В то время развернуть ракету вместе со стартовым столом перед пуском было проще, чем настраивать разворот после старта для аналоговой системы управления. Сейчас, в век компьютеров, это уже анахронизм. На Байконуре столы умеют поворачиваться, и это используют, как доставшееся в наследство, а на новых стартовых комплексах (Куру, Восточный) столы уже без поворотных устройств.

Фото стартового сооружения в Куру.


Третий пункт обусловлен постоянными апгрейдами ракет семейства «Р-7». Сначала была простая одноуровневая площадка:


Когда «Р-7» стала «Востоком», к одноуровневой площадке добавили подвижную башню обслуживания:


Для «Восходов» и «Молний» ещё добавили уровней:


Итог немного предсказуем :)

Это Плесецк, тут 9 уровней, на Байконуре 8.



Несмотря на красивый вид, сооружение не очень комфортное. Площадки открытые, продуваются всеми ветрами, и работа в мороз или жару — это незаметный героизм стартовых расчетов. Поэтому, когда стали строить старт «союзов» в Куру, спроектировали обычную мобильную башню (был ещё один фактор, о нем будет чуть позже):

Хороший результат эксплуатации новой башни привел к тому, что на «Восточном» будет такая же.

Пушки к бою едут задом

Отдельная интересная дилемма — это транспортировка ракеты на старт. И, конечно же, есть много возможных вариантов решения, со своими плюсами и минусами. Во-первых, ракету в сборе можно вообще никуда не везти — собрать сразу на старте, проверить и пустить. Во-вторых, ракету можно собрать горизонтально, отвезти на старт, установить её вертикально, и пустить. В-третьих, ракету можно собрать вертикально, и отвезти на старт сразу в вертикальном положении. А ещё можно эти варианты смешать.


Первый вариант реализуют, в основном, для небольших ракет (потому что это просто):

Снова Taurus. Слева, укрытая синим, первая ступень.

Также с этим вариантом экспериментировали, внезапно, индусы. Ракета PSLV собиралась сразу на стартовом столе.

  • Не нужно возить ракету на старт.
  • Нужно увозить от старта монтажно-испытательный комплекс.


Вариант второй — это советская/российская школа, а также SpaceX. «Союзы», «Протоны», «Космосы», «Н-1», «Энергии», «Зениты» и «Falcon'ы» едут на старт в горизонтальном положении. Транспортер также является установщиком, и вертикализует ракету.

  • Длинный МИК построить проще, чем высокий.
  • Везти в горизонтальном положении проще.
  • От ракеты и полезной нагрузки требуется дополнительная прочность на изгиб.
  • На ракету и полезную нагрузку действует сила только в направлении «верх-низ».
  • Не нужен установщик и процедура вертикализации.
  • Нужен высокий МИК.
  • Несколько более сложная транспортировка.
  • Сочетает в себе удобства горизонтальной транспортировки и вертикальной сборки.
  • Требуется чистая комната, мини-МИК в башне обслуживания.

Дилемма башни

Дилемма башни 2


Ещё один вопрос, опять же связанный с башней — это вопрос её подвижности. Насколько необходимо и обосновано тратить деньги на то, чтобы башня могла отъезжать от старта? Тут руководствуются инженерной целесообразностью. Неподвижная башня должна выдерживать взрыв ракеты на старте. Подвижная же должна иметь моторы, колёса и рельсы, а также систему растягивания и собирания коммуникаций и трубопроводов. Что получается проще, дешевле и привычнее, то и делают. Здесь нет национальных школ, в каждом проекте инженеры делают как считают более удобным. Например, для «Протона» сделали мобильную башню:


А для «Ангары» — уже стационарную:

Трон Гулливера

Нельзя оставить без внимания стартовые комплексы для сверхтяжелых ракет. Размеры и сложность этих систем, а также выбранные технические решения просто поразительны.


Американцы действовали в традициях своей школы — вертикальной сборки и транспортировки. Ключевым элементом стал тягач-транспортер, который возил ракету вместе с частью стартового стола и башни обслуживания. Это менее известно, но была ещё вторая половина башни, которую возил тот же тягач:

«Сатурн-V» с верхней частью стартового стола и одной башней обслуживания едет на старт. Вторая башня ждёт своей очереди в «тупике» дорог для тягача. Вдалеке видно здание вертикальной сборки.


Небольшой инженерный курьез. Миссии «Аполлонов» к станции «Скайлэб» и миссия «Союз-Аполлон» использовали этот же стартовый комплекс LC39, но меньшую ракету — Saturn-IB. Для того, чтобы ракета стояла напротив тех же мачт на гораздо большем стартовом сооружении, был сделан «детский стульчик» — ферменная конструкция, поднявшая ракету до высоты «Сатурна-V»:


Советская ракета «Н-1» тоже была сделана в родных традициях, её везли в горизонтальном положении на гигантском установщике два тепловоза по параллельным рельсам. Разве что башня обслуживания была несколько необычной — достаточно небольшой.

С началом разработки многоразовых кораблей стартовые комплексы ждала одинаковая судьба — они были переделаны под многоразовые корабли по обеим сторонам океана.
В США была сделана очень изящная башня обслуживания с поворотным элементом:



В СССР был сделан комплекс из двух башен рядом:

Большие трубы на левой башне — система посадки и аварийной эвакуации экипажа. Фото с сайта Буран.ру, копирайт пришлось отрезать при кадрировании.

Газоводы


Если вы внимательно смотрели на поверхность под стартовым столом на фотографиях, то наверняка заметили туннели, проёмы, углубления. Это газоводы, они нужны для отведения выбрасываемых ракетой газов. Для мощных двигателей тяжелых ракет простого конуса под днищем уже недостаточно. Конструкция их может быть разной, в США чаще использовали насыпной стартовый стол с орошаемыми водой газоводами на уровне земли. Вода смягчает ударную волну и снижает температурную нагрузку на стенки. У нас газоводы обычно сухие и расположены ниже уровня земли. Апрельский пуск «Falcon'a» показал, что в случае использования орошаемых подземных газоводов стоит следить за уровнем жидкости в них — ракета стартовала сквозь фонтан грязи, хорошо, что это не вызвало проблем.

Заключение


В заключение красивое видео замедленного пуска «Зенита» на «Морском старте». Видна работа стартовых механизмов и испарение падающего льда.

Читайте также: